1 引言

射頻識(shí)別（ radio frequency identification， RFID） 技術(shù)， 是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)， RFID標(biāo)簽具有體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、可重復(fù)使用等特點(diǎn)， 可支持快速讀寫、非可視識(shí)別、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位及長(zhǎng)期跟蹤管理， 在眾多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

RFID 系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（ tag） 、讀寫器（ reader） 和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成。RFID 標(biāo)簽具有3 種類型： 主動(dòng)、被動(dòng)和半主動(dòng)， 被動(dòng)標(biāo)簽具有成本低的特點(diǎn)， 因而應(yīng)用廣泛。本文的研究范圍為被動(dòng)標(biāo)簽。

在應(yīng)用時(shí)， 需要適當(dāng)?shù)囊?guī)劃來(lái)進(jìn)行讀寫器的部署， 它直接影響著讀寫器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和識(shí)別效果。合理有效的讀寫器部署方案可以減少網(wǎng)絡(luò)搭建時(shí)間， 全面覆蓋目的區(qū)域。合適的協(xié)調(diào)方法可以減少讀寫器之間的干擾， 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化， 保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的讀取率。本文從這一角度出發(fā)，探討了讀寫器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和協(xié)調(diào)技術(shù)， 指出讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署和協(xié)調(diào)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)， 在全面和系統(tǒng)地歸納、總結(jié)已有的研究的基礎(chǔ)上， 提出了讀寫器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和協(xié)調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向， 為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。

2 讀寫器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和部署

讀寫器網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和部署的目標(biāo)是： 以最低的成本建造符合近期和遠(yuǎn)期讀取需求、具有一定服務(wù)質(zhì)量的讀寫器網(wǎng)絡(luò)， 即達(dá)到目標(biāo)區(qū)域最大程度的覆蓋， 滿足要求的通信概率; 盡可能地減少干擾， 達(dá)到所要求的服務(wù)質(zhì)量; 盡量減少讀寫器數(shù)量， 以降低成本。

讀寫器組網(wǎng)有以下特點(diǎn)。

· RFID 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非對(duì)稱性， 無(wú)源電子標(biāo)簽的性能比較弱， 標(biāo)簽之間無(wú)法互相通信， 無(wú)源標(biāo)簽無(wú)法主動(dòng)發(fā)送通信信號(hào)， 只能通過(guò)反向散射方式與讀寫器進(jìn)行通信。

· RFID 系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜， 多數(shù)情況下， RFID 系統(tǒng)工作在室內(nèi)環(huán)境， 此時(shí)必須考慮多徑衰減效應(yīng)。同時(shí)， 讀寫器—標(biāo)簽通信的典型距離小于10 m， 屬于短距離通信。由于射頻信號(hào)的本質(zhì)特性， 并且為了保證覆蓋， 讀寫器識(shí)別區(qū)域之間的交叉不可避免。

· 移動(dòng)讀寫器的存在， 會(huì)使網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜。目前對(duì)讀寫器組網(wǎng)的研究有以下幾種。

· 在已有的無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型基礎(chǔ)上， 根據(jù)RFID 系統(tǒng)的特性， 提出了一種讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的離散模型r=（site， antenna， tilt， Au）， 其中tilt 表示天線傾斜角， Au 表示衰減。在覆蓋約束、標(biāo)簽反射信號(hào)約束、最小化成本約束、最小化干擾約束的情況下， 采用遺傳算法來(lái)求最優(yōu)解。這些參考文獻(xiàn)未考慮有移動(dòng)讀寫器存在的情況下讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署問(wèn)題。

·Anusha 設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)覆蓋規(guī)劃工具RFIDcover，該工具適用于需要周期性完全覆蓋的場(chǎng)合， 即可在每個(gè)τ時(shí)間段內(nèi)將所有標(biāo)簽都覆蓋一遍， 確定需要的固定和移動(dòng)讀寫器數(shù)目， 并確定移動(dòng)讀寫器的運(yùn)動(dòng)模式以及該場(chǎng)地的布局圖。但參考文獻(xiàn)［4］只對(duì)工具的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了介紹。

3 讀寫器協(xié)調(diào)技術(shù)

讀寫器協(xié)調(diào)的目的是保證整個(gè)系統(tǒng)的通信需求， 主要避免讀寫器沖突以及控制功率。讀寫器沖突［5，6］是指由一個(gè)讀寫器檢測(cè)到的由另一個(gè)讀寫器引起的干擾， 包含兩種情況： 讀寫器頻率沖突和標(biāo)簽沖突。讀寫器頻率沖突發(fā)生在兩個(gè)或兩個(gè)以上讀寫器同時(shí)使用相同的頻率與標(biāo)簽通信時(shí); 標(biāo)簽沖突是指兩個(gè)或更多讀寫器同時(shí)與一個(gè)標(biāo)簽通信時(shí)發(fā)生的沖突。

讀寫器沖突的特點(diǎn)如下： 無(wú)源標(biāo)簽的低性能特性， 使其在與多個(gè)讀寫器通信過(guò)程中無(wú)法發(fā)揮防沖突作用; 讀寫器沖突在手持式移動(dòng)讀寫器大量使用時(shí)， 會(huì)大大加劇。

3.1 現(xiàn)有的研究

3.1.1 EPC C-1 2 代標(biāo)準(zhǔn)

EPC C-1 2 代標(biāo)準(zhǔn)［7］是EPC Global 制定的860～960 MHz空中接口協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)采用頻譜規(guī)劃（ 指FDMA） 的方法劃分讀寫器傳輸和標(biāo)簽傳輸頻譜， 一方面使得標(biāo)簽沖突與讀寫器無(wú)關(guān)， 另一方面使得讀寫器沖突與標(biāo)簽無(wú)關(guān)。通過(guò)在不同頻率信道進(jìn)行讀寫器傳輸和標(biāo)簽傳輸， 解決了讀寫器—讀寫器頻率干擾問(wèn)題。但由于標(biāo)簽不具有頻率選擇性， 因此當(dāng)兩個(gè)讀寫器用不同頻率同時(shí)與標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)， 標(biāo)簽都將響應(yīng)并導(dǎo)致在標(biāo)簽處發(fā)生沖突。因此， 在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中多個(gè)讀寫器與標(biāo)簽的干擾仍然存在。

3.1.2 ETSI EN 302 208 標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于讀寫器沖突問(wèn)題， ETSI 302 208 標(biāo)準(zhǔn)［8］采用了基于載波偵聽(tīng)（ CSMA） 的“l(fā)isten before talk（ LBT） ”方法， 具體內(nèi)容為： 在傳送信號(hào)之前， 讀寫器必須偵聽(tīng)在它要使用的信道內(nèi)是否有其他閱讀器的信號(hào)， 如果通道空閑， 將閱讀標(biāo)簽; 如果通道忙， 將隨機(jī)選擇一段退避時(shí)間， 再繼續(xù)。但是在密集讀寫器環(huán)境下， LBT 使整個(gè)讀寫器網(wǎng)絡(luò)不能工作在最優(yōu)模式［6］， 因?yàn)長(zhǎng)BT 會(huì)使很多本來(lái)能用的通道關(guān)閉。

3.1.3 Colorwave 算法

Colorwave 算法［9］是一種分布式在線TDMA 算法?；舅悸肥牵?對(duì)于每個(gè)讀寫器， 在0～maxColors 范圍隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙（ 顏色） 進(jìn)行通信， 如果發(fā)生沖突， 則隨機(jī)選擇另一個(gè)時(shí)隙（ 顏色） 并通知鄰近的讀寫器; 如果相鄰讀寫器內(nèi)有同樣的時(shí)隙（ 顏色） ， 則該讀寫器重新選擇一個(gè)新的時(shí)隙（ 顏色） ; 讀寫器同時(shí)跟蹤當(dāng)前時(shí)隙的顏色。在Colorwave 算法中， 每個(gè)讀寫器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送成功率， 若超過(guò)了安全限值， 則修改maxColors 值; 若僅是局部某個(gè)讀寫器超過(guò)了安全限值， 則其他讀寫器仍然保持其maxColors 值不變; 若讀寫器普遍超過(guò)了安全限值， 則產(chǎn)生一個(gè)色度跳變波， 該色度跳變波從起始的讀寫器傳遍整個(gè)系統(tǒng)， 使得大部分讀寫器改變自身的maxColors 值。

該算法要求讀寫器同步， 同時(shí)假設(shè)讀寫器能夠檢測(cè)沖突。但是僅僅由讀寫器檢測(cè)發(fā)現(xiàn)沖突是不可行的， 如果有讀寫器移動(dòng)， 可能會(huì)導(dǎo)致全部讀寫器重新分配時(shí)隙（ 顏色） ， 使得整個(gè)系統(tǒng)效率降低。

3.1.4 Q 學(xué)習(xí)算法

Q 學(xué)習(xí)算法［10］為一種多層、在線的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法。該算法為多層結(jié)構(gòu)， 由Q-Server、R-Server 和讀寫器層構(gòu)成， 通過(guò)對(duì)讀寫器沖突模式的學(xué)習(xí)， 動(dòng)態(tài)地分配頻率和時(shí)間給讀寫器， 可以減少讀寫器沖突。但是該算法的多層結(jié)構(gòu)， 使得系統(tǒng)開(kāi)銷大， 也不適合讀寫器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^大的場(chǎng)合。

3.1.5 PULSE 算法

PULSE 算法［11，12］將讀寫器的通信信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道， 要求控制信道的通信范圍比數(shù)據(jù)信道大很多?？刂菩诺烙脕?lái)發(fā)送忙音信號(hào)， 用于讀寫器之間的相互通信; 數(shù)據(jù)信道用于讀寫器與標(biāo)簽間的通信。當(dāng)讀寫器與標(biāo)簽通信時(shí)， 先檢測(cè)控制信道， 如果有忙音信號(hào)， 則隨即延遲等待; 如果無(wú)忙音信號(hào)， 其隨機(jī)延遲后與標(biāo)簽進(jìn)行通信， 并在控制信道廣播忙音信號(hào)， 通知鄰近的讀寫器， 這樣就避免了沖突。該算法較適合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓容^快的讀寫器網(wǎng)絡(luò)， 但其假設(shè)讀寫器能夠同時(shí)在控制信道和數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行通信， 增加了額外的硬件成本。

3.1.6 REQ-BUSY 算法

REQ-BUSY 算法［13］和DiCa 算法［14］為類似于PULSE 的算法， 這兩種算法中通信信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道，讀寫器需要通信時(shí)， 先隨機(jī)延遲一段時(shí)間， 然后在控制信道發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)， 如果鄰近讀寫器中有正在通信的， 將返回忙信號(hào)， 該讀寫器接收到忙信號(hào)后， 隨機(jī)延遲， 然后重新發(fā)送請(qǐng)求信號(hào); 如果該讀寫器沒(méi)收到忙信號(hào)， 那么其將與標(biāo)簽進(jìn)行通信。這兩種算法中讀寫器利用單信道與標(biāo)簽通信， 沒(méi)有有效利用頻譜資源。

3.1.7 基于IRCM的反碰撞算法

讀寫器碰撞模型（ IRCM） ［15］ 建立在讀寫器碰撞網(wǎng)絡(luò)（ RCN） 基礎(chǔ)上， RCN 將RFID 系統(tǒng)建模成一個(gè)無(wú)向圖， 若兩個(gè)讀寫器有交叉覆蓋范圍， 則其之間有連線。IRCM定義了讀寫器的碰撞相鄰表和路由表， 碰撞相鄰表內(nèi)為能與該讀寫器發(fā)生沖突的相鄰讀寫器， 路由表內(nèi)為不會(huì)與其發(fā)生沖突的讀寫器。在識(shí)別標(biāo)簽的過(guò)程中， 每個(gè)讀寫器計(jì)算自己的正確讀取率（QT） ， 并將其發(fā)送給碰撞相鄰表和路由表中的讀寫器， 收到此值的讀寫器重新估計(jì)整體碰撞的情況， 調(diào)整自身的QT 閾值以改變對(duì)標(biāo)簽的讀取速度， 緩解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的碰撞。參考文獻(xiàn)［15］中只給出了IRCM及算法思想， 未詳細(xì)說(shuō)明如何調(diào)整QT 閾值以改變讀取速度。

3.1.8 RRE 算法

參考文獻(xiàn)［16］對(duì)RFID 網(wǎng)絡(luò)中的冗余讀寫器問(wèn)題進(jìn)行了研究， 提出了一種隨機(jī)、分布式的算法RRE（ redundant reader elimination） ， 在保證覆蓋的基礎(chǔ)上辨別出冗余的讀寫器， 可以將這些冗余讀寫器安全關(guān)閉， 以節(jié)約移動(dòng)讀寫器的電能以及減少讀寫器沖突。該算法的步驟為： 首先由讀寫器探測(cè)周圍的標(biāo)簽集合; 其次每個(gè)讀寫器將其覆蓋的標(biāo)簽數(shù)目寫入其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽， 在多個(gè)讀寫器覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽， 只接受數(shù)值較大的標(biāo)簽數(shù)目的寫入， 寫入數(shù)值最大的讀寫器被認(rèn)為鎖定了此標(biāo)簽; 最后每個(gè)讀寫器順序詢問(wèn)其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽， 查找被其鎖定的標(biāo)簽。沒(méi)有鎖定任何標(biāo)簽的讀寫器被認(rèn)為是冗余的。

3.1.9 LLC（W-LCR） 算法

J. Kim 等［17， 18］將RFID 讀寫器網(wǎng)絡(luò)分成具有一定層次的讀寫器簇結(jié)構(gòu)， 根據(jù)一定的權(quán)值動(dòng)態(tài)調(diào)整每一簇間的問(wèn)詢半徑， 在保證區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)簽均被覆蓋的前提下， 減少讀寫器簇間的問(wèn)詢重疊區(qū)域， 從而使讀寫器網(wǎng)絡(luò)中讀寫器沖突的產(chǎn)生最小化。但該方案的缺點(diǎn)在于： 由于環(huán)境的復(fù)雜性， 讀寫器簇間問(wèn)詢半徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略難以確定， 以致于在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)施。

3.1.10 TPA-CA 算法

TPA-CA 算法［19］假設(shè)有一個(gè)RFID 控制器知道所有的讀寫器位置。該算法由3 部分組成： 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲茫∟TC）部分、讀寫范圍調(diào)節(jié)（ IAR） 部分以及迭代部分。NTC 部分最小化讀寫器間的重疊覆蓋范圍， IAR 通過(guò)控制讀寫器的功率來(lái)調(diào)節(jié)讀寫范圍， 由于有移動(dòng)讀寫器的存在， 讀寫器間拓?fù)鋾?huì)變化， 所以需要不斷地進(jìn)行迭代重復(fù)計(jì)算。但實(shí)際有移動(dòng)讀寫器時(shí)， 精確的位置確定和讀寫器間重疊覆蓋范圍的計(jì)算都比較困難， 并且該算法需要一個(gè)控制器。

3.1.11 DAPC 和PPC 功率控制算法

Kainan Cha［20］在保證系統(tǒng)的全面覆蓋和保持一定的期望讀取率基礎(chǔ)上， 提出了2 種讀寫器功率控制方案： 分布式自適應(yīng)功率控制（DAPC） 方法和隨機(jī)功率控制（ PPC） 方法。DAPC 由兩個(gè)模塊構(gòu)成： 自適應(yīng)功率修正（ adaptivepower update） 和選擇性后退（ selective back-off） 。自適應(yīng)功率修正模塊根據(jù)沖突情況和信噪比來(lái)修正功率， 但是在密集讀寫器環(huán)境下， 自適應(yīng)功率的修正往往使得相互干擾的讀寫器發(fā)射功率達(dá)到最大。選擇性后退模塊讓一部分讀寫器先降低功率或者關(guān)閉， 使得其他讀寫器能正常讀寫， 該過(guò)程在整個(gè)讀寫器網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)進(jìn)行。

PPC 選擇了一種隨機(jī)分布（ Beta 分布） ， 讀寫器按照此分布并根據(jù)時(shí)隙內(nèi)的沖突情況動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率， 使讀寫器達(dá)到最大的讀寫范圍并具有良好的覆蓋半徑。

3.2 算法比較

以上的讀寫器協(xié)調(diào)方法采取了不同的思路來(lái)對(duì)讀寫器進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)， 可以按照頻分多址（ FDMA） 、時(shí)分多址（ TDMA） 、空分多址（ SDMA） 分類， 也可依據(jù)是否采用載波偵聽(tīng)（ CSMA） ; 是否采用集中式控制或分布式控制; 是否支持移動(dòng)讀寫器; 是否采取功率控制; 是否屬于聚類（ clustering） 等方法分類。表1 對(duì)這些算法進(jìn)行了比較。目前除了EPC C-1 2 代標(biāo)準(zhǔn)和EN 302 208 標(biāo)準(zhǔn)已在實(shí)際中應(yīng)用外， 其他的方法均為理論研究， 有的只是模型（ 例如： IRCM） 。Colorwave 算法基于圖論的染色理論， 但染色理論本身就是個(gè)NP（ nondeterministic polynomial） 問(wèn)題。

Q 學(xué)習(xí)算法基于多層結(jié)構(gòu)， 實(shí)用性不高。PULSE 算法、REQ-BUSY 算法和DiCa 算法為一類， 后面兩種算法為PULSE 算法的改進(jìn)， 該類算法簡(jiǎn)單， 但是都未有效利用頻譜資源。LLC（W-LCR） 算法和TPA-CA 算法均可調(diào)節(jié)讀寫器間重疊覆蓋范圍， 但在實(shí)際應(yīng)用中難精確確定讀寫器的位置。RRE 算法采用關(guān)閉冗余讀寫器的方式， 但冗余讀寫器的確定比較困難， 并可能會(huì)漏讀標(biāo)簽。采用DAPC 和PPC 功率控制算法后仍會(huì)存在標(biāo)簽沖突。

4 研究方向

4.1 包含移動(dòng)讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)的部署

在包含移動(dòng)讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)中， 讀寫器沖突以及變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其顯著特點(diǎn)， 也是從發(fā)展角度研究讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署必須解決的問(wèn)題。以前對(duì)讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的研究一般是針對(duì)固定讀寫器， 因此， 沒(méi)有太多考慮包含移動(dòng)讀寫器的情況。包含移動(dòng)讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署涉及到移動(dòng)和固定讀寫器的數(shù)量、移動(dòng)讀寫器的運(yùn)動(dòng)線路和運(yùn)動(dòng)速度、移動(dòng)讀寫器的運(yùn)動(dòng)引起的固定讀寫器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、移動(dòng)讀寫器的周期性覆蓋范圍的判定等。

覆蓋時(shí)的功率控制也是包含移動(dòng)讀寫器的讀寫器網(wǎng)絡(luò)部署的研究方向。移動(dòng)讀寫器一般靠電池提供電源， 這就使得節(jié)能問(wèn)題顯得很重要， 并且進(jìn)行功率控制也可以減少讀寫器間的干擾。

4.2 讀寫器協(xié)調(diào)

目前讀寫器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有兩種趨勢(shì)。一種是降低Q 學(xué)習(xí)算法基于多層結(jié)構(gòu)， 實(shí)用性不高。PULSE 算法、REQ-BUSY 算法和DiCa 算法為一類， 后面兩種算法為PULSE 算法的改進(jìn)， 該類算法簡(jiǎn)單， 但是都未有效利用頻譜資源。LLC（W-LCR） 算法和TPA-CA 算法均可調(diào)節(jié)讀寫器間重疊覆蓋范圍， 但在實(shí)際應(yīng)用中難精確確定讀寫器的位置。RRE 算法采用關(guān)閉冗余讀寫器的方式， 但冗余讀寫器的確定比較困難， 并可能會(huì)漏讀標(biāo)簽。采用DAPC 和PPC 功率控制算法后仍會(huì)存在標(biāo)簽沖突。

讀寫器的功能， 讀寫器間相互不能通信， 依靠集中控制器（ 系統(tǒng)） 來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)。對(duì)于這種網(wǎng)絡(luò)， 讀寫器間的協(xié)調(diào)類似于無(wú)線蜂窩系統(tǒng)中的頻率分配及功率控制問(wèn)題， 今后的研究方向是綜合考慮頻譜、時(shí)間及空間資源， 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的通信需求， 采用組合優(yōu)化的方法來(lái)進(jìn)行解決。

另一種是增強(qiáng)讀寫器的功能， 依靠讀寫器本身來(lái)進(jìn)行讀寫器間協(xié)調(diào)。這種網(wǎng)絡(luò)類似于傳感器網(wǎng)絡(luò)和ad hoc 網(wǎng)絡(luò)［2］， 可參考這些通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)技術(shù)， 根據(jù)RFID 讀寫器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)， 研究用分布式方法來(lái)解決讀寫器協(xié)調(diào)問(wèn)題。

對(duì)于標(biāo)簽沖突問(wèn)題， 由于無(wú)源標(biāo)簽的特性， 解決方法只能采用時(shí)分多址， 即有重疊覆蓋范圍的讀寫器只能同時(shí)有一個(gè)對(duì)重疊覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫， 這是讀寫器協(xié)調(diào)中必須考慮的。

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